Nota de aplicación 5026 La protección de 5V 1-Wire ® Esclavos de la exposición de sobretensión

 

Resumen: Si una aplicación requiere la escritura a los dispositivos EPROM después del despliegue, los dispositivos de 5V necesitan ser protegidos de la exposición de sobretensión. En este artículo se explica cómo han 1-Wire EPROMs y dispositivos de 5V 1-Wire en el mismo bus, si los dispositivos de 5V están protegidos de los pulsos de programación.

Introducción

La mayoría de los dispositivos 1-Wire trabajar con 2.8V a 5.25VV _PUP para leer y escribir. EPROM dispositivos (incluyendo el DS2406 ,DS2502 , DS1982 , DS2505 y DS1985 ) requieren un pulso de programación de 12 V para la escritura. El pulso de programación, sin embargo, constituye sobretensión para los dispositivos que no pueden sostener más de 5.5V. Por lo tanto, si la aplicación requiere la escritura a los dispositivos EPROM después del despliegue, los dispositivos de 5V necesitan ser protegidos ( Figura 1 ). El circuito se presentan en este documento se protege contra sobretensiones positivo hasta 40V incluyendo pulsos de 12 V de programación EPROM.Figura 1. Un bus 1-Wire con 5V y 12V dispositivos.

Protección de los requisitos del circuito

Un circuito de protección adecuado debe cumplir varios requisitos:

• Imponer una carga muy baja en el bus 1-Wire
• No impiden la programación de memorias EPROM 1-Wire
• Proteger adecuadamente 5V dispositivos 1-Wire
• Mantener la amplitud de la señal de comunicación completa

Además, es deseable que un circuito de protección se construirá a partir de fácil acceso, los componentes de bajo costo.

El concepto básico

La figura 2 muestra un circuito de protección muy sencilla. El diodo Zener U1 limita la tensión en la puerta de la Q1. R1 limita la corriente que puede fluir a través de U1. Q1 es un canal n MOSFET que opera como un seguidor de la fuente, dejando que la tensión de su puerta sin una compensación llegar al pin IO del esclavo 1-Wire. Para mantener la amplitud de la señal de comunicación completa, la compensación debe ser lo más bajo posible. Muy útil para este propósito son MOSFETs agotamiento modo, que tienen un desplazamiento negativo. El Supertex ® DN3135 se puso a prueba y su desplazamiento se midió como-1.84V (hoja de datos del parámetro V _{GS (OFF)} ). En consecuencia, la necesaria tensión de puerta V _G es 3.16V, que define el umbral de voltaje de U1. Figura 2.El concepto de un circuito de protección. Por desgracia, la compensación de tensión del transistor varía según el dispositivo y la temperatura . En lugar de-1.84V, el valor podría oscilar entre -3,5 y 1,5 V a temperatura ambiente. Esta variación hace que encontrar el diodo zener apropiada difícil. Además, de baja tensión son diodos zener normalmente se especifica en 5 mA, una corriente que pueda impedir la programación de memorias EPROM 1-Wire. Si se opera a 100μA, por ejemplo, la caída de voltaje está muy por debajo del umbral especificado. Más adecuados son los reguladores de derivación, que son similares a los diodos zener, pero alcanzan su umbral de tensión con una corriente mucho más baja. La versión 3,3 de la máxima LM4040 , por ejemplo, necesita sólo 67μA para llegar de forma fiable la tensión de ruptura inversa . Definir que 67μA se alcanzan a 5V en el bus 1-Wire, se puede calcular R1 = (5V - 3.3V) / = 67μA 25.4kΩ. La carga adicional de 67μA en el bus 1-Wire corresponde a aproximadamente 10 dispositivos esclavos. Esto es aceptable para un maestro 1-Wire como el DS2480B. Ahora vamos a comprobar la corriente a través de R1 durante un pulso de programación de 12V:

I (R1) = (12 V - 3,3 V) / 25.4kΩ 343μA =
(Ec. 1)

La programación actual de EPROMs 1-Wire se especifica como 10 mA. La carga adicional de alrededor de 1/3mA no debería causar ningún problema. Por lo tanto, el circuito en la figura 2 debe funcionar si el voltaje de compensar el MOSFET está cerca de-1.8V. Esto, sin embargo, no está garantizada. Por lo tanto, un circuito que ofrece un umbral ajustable o puede ser cortado es necesario.

Umbral ajustable con fuente de corriente monolítica

El circuito de la Figura 3 utiliza una fuente de corriente (U1) para ajustar la tensión de puerta máximo de Q1. Una fuente de corriente ideal proporciona una corriente que es independiente de la tensión entre sus terminales. Con una corriente dada I _FUERA , el voltaje de la puerta puede ser ajustado por la elección de distintos valores para R1. Figura 3. Concepto de un circuito de protección mejorada con fuente de corriente. Una fuente de corriente generalizada monolítica es el NXP ® PSSI2021SAY ( Figura 4 ). El dispositivo cuenta con cuatro terminales, denominada VS, IOUT, GND, y Rext. R _EXT , si está instalado, pasa por una resistencia interna de 48kΩ nominal.Figura 4. . Mejora de la protección de circuitos Según la ficha técnica del producto, que _salida se calcula como:

I _SALIDA = 0,617 / R _EXT (Ω) + 15μA
(Ec. 2)

Con R _EXT = 10 k, para mitigar la tolerancia de la resistencia interna de 48kΩ paralelo a la I _EXT , la corriente típica es (61.7 + 15) = 76.7μA mA, de acuerdo con la hoja de datos PSSI2021SAY. La corriente de salida depende en cierta medida de la tensión de alimentación de VS, en particular, para tensiones de alimentación inferiores a 5V. Cuando se mide en una configuración de prueba, el valor de 76.7μA se alcanzó a 3.75V. A 12 V, la corriente era 94μA. Este comportamiento debe ser considerado normal debido a su diseño sencillo del chip. El circuito de la Figura 4 se probó con R _EXT = 10k y R1 = 39kΩ. El adaptador 1-Wire fue uno Maxim DS9097U-E25 . Las figuras 5 y 6 muestran las señales en el adaptador 1-Wire (trazo superior) y el esclavo protegida (traza inferior). El pulso de programación (ver Figura 6), provoca un pico de ± 3 V ~ 10μs de duración, a la esclava protegida. Durante el pulso de la programación, la tensión en el esclavo protegida se eleva a 6 V, que puede ser problemática. Figura 5. Comunicación formas de onda, el adaptador (parte superior), protegido de esclavos (abajo). El circuito de la figura 4 no distorsionar la señal de 1-Wire. Figura 6. Programación del pulso, el adaptador (parte superior), protegido de esclavos (abajo). Una desventaja de la PSSI2021SAY es su oferta actual bastante alta. A 12V, incluyendo 15μA porque _FUERA , el actual podría ser tan alto como 370μA. Además de la capacidad de ajuste, el circuito con PSSI2021SAY no es mejor que el circuito de la Figura 2.

Umbral ajustable con referencia Bandgap y fuente de corriente discreta

La hoja de datos PSSI2021SAY revela el concepto básico del circuito. Una de las debilidades es el voltaje de referencia interno, que se deriva de la tensión directa de dos diodos en serie. Mejor rendimiento se logra si un gap de referencia se utiliza en lugar de diodos de polarización. Figura 7 muestra un circuito que es equivalente a la PSSI2021SAY y consume menos energía, y la corriente es prácticamente independiente de la tensión una vez que el gap de referencia ha alcanzado su temperatura actual. Figura 7. Circuito de protección en relación con gap. El PSSI2021SAY se sustituye por el transistor Q2, la referencia bandgap U1, R2 y R3 y resistencias.Con R3 elegido como 100kΩ, la referencia gap llega a su mínimo de funcionamiento actual de 2,2 V en IO. . La corriente a través de U1 es 38μA a 5V y 12V 108μA en el IO De acuerdo con la ley de Kirchhoff, la relación se aplica lo siguiente:

V _BG = I _E × R2 + V _EB
(Ec. 3)

Para un transistor de silicio de uso general PNP como el 2N3906, V _EB es típicamente de 0,6 V a temperatura ambiente y el colector de corriente baja. Con V _BG conocido como 1.235V, esta ecuación se puede resolver:

R2 = (V _BG - V _EB ) / I _E = (1.235V - 0,6 V) / I _E = 0.635V / I _E
(Ec. 4)

Para lograr la misma corriente nominal como en el circuito PSSI2021SAY (76.7μA), R2 se calcula como 8.2kΩ. Con Q1 es el mismo que en la figura 2, V _G debe ser 3.2V. Dejar de lado la actual base de Q2, que _C es igual a I _E . R1 ahora se puede calcular como:

R1 = V _G / I _C = = 3.2V/76.7μA 41.7kΩ
(Ec. 5)

Para disminuir la carga total en el maestro 1-Wire, se podría reducir la corriente de salida de la fuente de corriente. El aumento de R1 y R2 por un factor de 4 (R2 = 33kΩ, R1 = 160kΩ) reduce la corriente de 19μA, lo que resulta en una tensión de puerta máximo de 3.08V.En la práctica, R1 debe ser ajustada para compensar la V MOSFET de _{GS (OFF)} la tolerancia. El valor correcto se encuentra si la tensión en el esclavo 1-Wire se acerque V (IO). El circuito de la figura 7 se puso a prueba con un National Semiconductor ® LM385 en lugar del nuevo y mejorado lineal Technology ® LT1004, que no estaba disponible . El adaptador 1-Wire fue uno DS9097U-E25 Maxim. Figuras 8y 9 muestran las señales en el adaptador 1-Wire (trazo superior) y el esclavo protegida (traza inferior). El pulso de programación (ver Figura 9), causa una. ~ 10μs espiga (2V en aumento, de 1,5 V caída) en el esclavo Este circuito tiene un mejor desempeño que el circuito de la Figura 4. Durante el pulso de la programación, la tensión en el esclavo protegida apenas se eleva por encima del nivel de 5V. Figura 8. Sin C1. Formas de onda de la comunicación, el adaptador (parte superior), protegido de esclavos (abajo). Figura 9. Sin C1.Programación del pulso, el adaptador (parte superior), protegido de esclavos (abajo). Para reducir la amplitud de la espiga causada por el pulso de programación, C1, con un valor de 100 pF se ha instalado. Figuras 10 y 11 muestran el resultado. La forma de onda de la comunicación es un poco distorsionada. La amplitud de la espiga se reduce (el aumento de 1,4 V, 1,2 V caída). En contraste con la figura 9, la tensión no caiga por debajo de 3V. A 5.1V de baja potencia del diodo zener, como el BZX84, de la fuente de Q1 a GND se puede recortar el pico de aumento, pero no afecta a la caída pico. Figura 10. C1 instalado. Formas de onda de la comunicación, el adaptador (parte superior), protegido de esclavos (abajo). Figura 11. C1 instalado. Programación del pulso, el adaptador (parte inferior), protegido de esclavos (arriba).

Límites de la protección

La tensión máxima que el circuito en la figura 7 se puede sostener entre IO y GND se determina por:

• La corriente máxima que es seguro para U1
• El V _CE tensión de ruptura de Q2
• El V _GD y V _DS voltajes de ruptura de la Q1

Estos valores son de 20 mA LT1004 (U1), 40V para el 2N3906 (Q2), y 350V para Q1. El componente limitante es el Q2. A 40V, la corriente a través de U1 es 143μA, muy por debajo del límite de 20 mA.

Resumen

Es posible tener 1-Wire EPROMs y 5V 1-Wire dispositivos en el mismo bus si los dispositivos de 5V están protegidos de los pulsos de programación. El circuito de protección simple en la Figura 2 funciona, pero no es óptimo debido a la amplia variación de los MOSFET de compuerta a la fuente de voltaje, es necesario encontrar un "par con el tema" de un transistor y la derivación del regulador . El circuito de la Figura 4 se puede ajustar para compensar la tolerancia de la IC, pero impone una carga mayor en el maestro 1-Wire. Desde el PSSI2021SAY puede soportar hasta 75 V, este circuito puede protegerlo de voltajes de hasta 75V. El circuito de la Figura 7 es funcionalmente equivalente a la de la Figura 4, pero tiene un mejor rendimiento e impone una carga mucho menor en el maestro 1-Wire.Su nivel de protección es 40V, limitada por la Q2. El nivel de protección puede ser aumentada por la elección de un transistor con un alto V _CE tensión de ruptura. 1-Wire es una marca registrada de Cypress Semiconductor, Inc. Linear Technology es una marca registrada de Linear Technology Corporation. National Semiconductor es una marca registrada de National Semiconductor Corporation. NXP es una marca registrada de NXP BV Supertex es una marca registrada de Supertex, Inc.